陶永亮 | 大型壓鑄模是實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄的關(guān)鍵技術(shù)

陶永亮 | 大型壓鑄模是實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄的關(guān)鍵技術(shù)

作者：陶永亮

立嘉技術(shù)專家顧問團(tuán)顧問
原重慶川儀工程塑料有限公司

陶永亮，教授級高級工程師，從事高分子材料應(yīng)用與模塑成型工藝研究。中國模具工業(yè)協(xié)會技術(shù)專家、中國塑料加工工業(yè)協(xié)會專家委專家、中國塑料機(jī)械工業(yè)協(xié)會專家委專家、重慶市經(jīng)信委中小企業(yè)專家委專家、廣州香港科技大學(xué)霍英東研究院國際智能制造平臺（ISMP）專家等。曾長期在企業(yè)從事模具設(shè)計(jì)與制造，注塑成型工藝和真空鍍鋁工藝管理等工作；參與企業(yè)各種產(chǎn)品開發(fā)工作與各項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)管理等工作，為企業(yè)技術(shù)進(jìn)步和提高經(jīng)濟(jì)效益做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)，曾獲得各級技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)勵(lì)等；結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場需要，解決生產(chǎn)上疑難問題；發(fā)表技術(shù)論文近200篇，涉及模具設(shè)計(jì)、注塑工藝、真空鍍膜、材料應(yīng)用、一體化壓鑄技術(shù)、智能制造和汽車燈具技術(shù)等領(lǐng)域，有文章被EI等收入，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)。關(guān)注一體化壓鑄技術(shù)源于在壓鑄廠工作經(jīng)歷以及對壓鑄工藝和壓鑄模具設(shè)計(jì)的理解。退休后仍活躍在行業(yè)上，密切關(guān)注行業(yè)發(fā)展，加入各級相關(guān)行業(yè)學(xué)（協(xié)）會專家委，并積極參與各個(gè)專家委的活動(dòng)，對企業(yè)、學(xué)校和個(gè)人（學(xué)生）進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)、資源引導(dǎo)，職稱輔導(dǎo)等工作，線下線上作技術(shù)講座20余場次，繼續(xù)為行業(yè)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮積極作用！

大型壓鑄模是實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄的關(guān)鍵技術(shù)

摘要：受益于一體化壓鑄技術(shù)在新能源汽車上的應(yīng)用，給大型壓鑄模制造帶來生機(jī)，大型壓鑄模具制造有技術(shù)壁壘，是實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了大型壓鑄模在一體化壓鑄的作用與應(yīng)用效果，講述了大型壓鑄模制造難點(diǎn)、需要關(guān)注模具選材與模具設(shè)計(jì)仿真應(yīng)用，著重描述了大型壓鑄模溫度場熱平衡的要求，提出了輔助于熱平衡采用的措施，模內(nèi)傳感器應(yīng)用具有前瞻性。隨著技術(shù)進(jìn)步，大型壓鑄模技術(shù)壁壘逐步被解決和掌握，為大型壓鑄模制造開拓新天地，促進(jìn)新能源汽車向著節(jié)能、減排方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：大型壓鑄模 溫度熱平衡 設(shè)計(jì)與仿真 材料與選用 模溫控制與檢測 模內(nèi)傳感器 3D打印

1. 引言

一體壓鑄技術(shù)是特斯拉2019年首次提出，在2020年Model Y的后地板生產(chǎn)上應(yīng)用一體化壓鑄技術(shù)將其原有80個(gè)沖壓焊接零件集成為一個(gè)部件，后地板實(shí)現(xiàn)減重10%，成本下降了40%，受到了行業(yè)的關(guān)注。一體化壓鑄用單個(gè)大型鑄件代替若干個(gè)小型組裝零件，其三個(gè)好處。其一簡化生產(chǎn)流程，原有汽車生產(chǎn)中將幾十個(gè)、上百個(gè)零部件進(jìn)行組裝焊接，零部件種類復(fù)雜數(shù)量多，生產(chǎn)需要成本和時(shí)間，組裝流程復(fù)雜耗時(shí)，需要大量的機(jī)器人來完成焊接組裝涂膠等，一體化壓鑄只需壓鑄機(jī)和模具就可以一次成型實(shí)現(xiàn)指定部件鑄造，極大簡化生產(chǎn)流程；其二架構(gòu)變化使硬件性能大大提高，一體化壓鑄相比于組裝密封性強(qiáng)，無間隙，使鑄件具有更高的抗扭剛度，抗擊打能力具備更好的效果，使用中減少零部件磨損老化需要維修和替換的煩惱；其三輕量化，一體化壓鑄鋁合金材料替代鋼材。如1.5噸乘用車使用鋁合金材料相比鋼材減重30%，減重對汽車是利好，燃油車減重15%可減少5%的油耗、新能源車則減少10%的能耗。鋁合金材料是輕量化的經(jīng)濟(jì)性最佳材料之一。

特斯拉率先提出的一體化壓鑄（網(wǎng)圖）

蔚來、小鵬開展一體化壓鑄生產(chǎn)。蔚來在ET5中一體化壓鑄用于生產(chǎn)車身后地板減重30%后備箱空間增加7L；小鵬汽車建立壓鑄工廠，預(yù)計(jì)將用于2023年發(fā)布的新車型生產(chǎn)中；大眾汽車也要引入一體壓鑄建設(shè)全新工廠，用于生產(chǎn)Trinity純電動(dòng)車[1]。壓鑄是將熔化狀態(tài)金屬在模具內(nèi)加壓冷卻成型的精密鑄造方式。壓鑄機(jī)、合金材料和模具被稱為壓鑄三要素[2]。有機(jī)構(gòu)調(diào)研一體化壓鑄技術(shù)壁壘為部件＞模具＞設(shè)備＞材料，把模具位置放在較前列[3]。大型壓鑄機(jī)有力勁，海天，伊之密等公司生產(chǎn)6000~12000T壓鑄機(jī)已經(jīng)面市[4-8]；免熱處理鋁合金材料開發(fā)單位為數(shù)不少，海外美鋁（美國）、萊茵菲爾德（德國）和特斯拉自行開發(fā)等，國內(nèi)有企業(yè)開發(fā)免熱處理鋁合金材料，蔚來汽車、立中集團(tuán)、華人運(yùn)通與上海交大、湖北新金洋等院校和企業(yè)開發(fā)，已被應(yīng)用在產(chǎn)品上[9]。關(guān)鍵的大型壓鑄模具（≥6000T壓鑄機(jī)）目前僅有廣州市型腔模具制造有限公司、寧波賽維達(dá)機(jī)械有限公司、美利信科技公司等少數(shù)單位能完成[10]，近期也有一些企業(yè)正在介入一體壓鑄模具制造行列，說明超大型壓鑄模具制造具有復(fù)雜性，在一體化壓鑄中壓鑄模具制造難度大、周期長，模具損耗也是較大的，相對而言大型壓鑄模具是實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄的關(guān)鍵技術(shù)。

國內(nèi)汽車廠家運(yùn)用一體化壓鑄（網(wǎng)圖）

2. 大型壓鑄模具制造分析

2.1 一體化壓鑄模具概況
在“雙碳”目標(biāo)下，新能源汽車已經(jīng)成為汽車工業(yè)重要支撐。隨著汽車輕量化核心結(jié)構(gòu)件以一體化壓鑄件集成、數(shù)個(gè)部件替代上百個(gè)沖壓焊接件的汽車變革進(jìn)程加快，超大型精密復(fù)雜壓鑄模具已成為汽車模具采購的新寵，給壓鑄模具從模具材料到模具制造等全產(chǎn)業(yè)技術(shù)與應(yīng)用帶來諸多新挑戰(zhàn)[11]。

賽維達(dá)9000T一體化壓鑄模具交付（網(wǎng)圖）

壓鑄模與其他模具使用環(huán)境不一樣。壓鑄是在高壓（150~500MPa）下將300~1000℃（鋁合金670~730℃）熔融金屬通過壓射沖頭的運(yùn)動(dòng)，以極高的速度，在極短時(shí)間內(nèi)填充到壓鑄模型腔中，并在壓力下結(jié)晶凝固而獲得鑄件。成型過程中模具反復(fù)受到加熱和冷卻，且受到高速噴入灼熱金屬液流動(dòng)高速沖刷產(chǎn)生的磨損和腐蝕，加工環(huán)境較惡劣。模具用料要求有較高的熱疲勞抗力、導(dǎo)熱性及良好的耐磨性、耐蝕性、高溫力學(xué)性能[12-13]。鋁合金壓鑄模壽命是一個(gè)綜合性問題，涉及模具設(shè)計(jì)，選材，熱處理，表面處理，模具正確使用、維護(hù)和保養(yǎng)等環(huán)節(jié)。在模具上問題是磨損、熱疲勞、開裂、燒蝕等。我國壓鑄模與國外壓鑄模相比有較大的差距，主要使用壽命僅為國外同類模具的1/5~1/3[14]。鋁合金壓鑄模具壽命與鑄件壁厚、設(shè)備噸位有關(guān)系，壁厚鑄件，模具壽命相對短些，噸位較大的模具壽命較短。

寧波合力推進(jìn)一體化壓鑄模具項(xiàng)目建設(shè)（網(wǎng)圖）

大型壓鑄模是實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄的關(guān)鍵技術(shù)。一體化壓鑄模具比傳統(tǒng)的壓鑄模具外形大，重量重的特點(diǎn)。無論對模具材料的鍛壓和處理，還是機(jī)械加工等都是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。國內(nèi)首套6800T超大型一體化鋁合金壓鑄模由廣州市型腔模具制造公司自主研制成功，模重超過140T[15]。長安汽車制造中心鑄造工藝所聯(lián)合供應(yīng)商歷時(shí)半年進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)、制造的一體化前機(jī)艙壓鑄件（模具尺寸3300mm×2800mm×2000mm，重量約120噸）于2023年1月15日在寧波北侖試制成功[16]。大型壓鑄模具是實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄的基礎(chǔ)工裝設(shè)備，也是是衡量一個(gè)國家工業(yè)水平及產(chǎn)品開發(fā)能力的標(biāo)志。大型壓鑄模具制造，將對一體化壓鑄降低生產(chǎn)成本提高效益具有重要地現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 模具選材方面考慮
一體化壓鑄對模具的沖擊作用更大，工作條件惡劣，受各種應(yīng)力的影響，將會導(dǎo)致模具過早開裂失效，因此對模具設(shè)計(jì)和模具材料及熱處理要求更高[17]。壓鑄�？梢苑譃槌尚筒糠�、澆注系統(tǒng)、模架部分、排溢系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等部分。成型部分是模具的核心，包括模仁（模芯）與其他結(jié)構(gòu)件，中間構(gòu)成的空間為型腔，形成壓鑄件的幾何形狀，因此模具的設(shè)計(jì)決定了零部件的形狀和精密度。模仁（模芯）與合金鋁接觸部件一般選用純凈度高，硫含量低的模具鋼。為了提高抗高溫軟化性能，選用含鉬量高的模具鋼，如：熱作模具鋼的H13、SKD61、8407、8417、1.2344ESR等等。提高模具鋼純凈度，降低或消除低熔點(diǎn)雜質(zhì)，是可以避免壓鑄模具提前龜裂的根本有效辦法。一體化壓鑄模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造費(fèi)用高、準(zhǔn)備周期長，對于壓鑄模具的生產(chǎn)提出了更高的要求。適宜制作壓鑄模具的模具鋼必須具備良好熱強(qiáng)性、抗熱疲勞性及抗氧化性和抗液態(tài)金屬腐蝕性能。在此前提下，做足模具鋼鍛造比，配合好的熱處理工藝，做些表面鍍層，模具使用保養(yǎng)，從而延長模具使用壽命[18]。一般常用熱作模具鋼由電渣重熔法（ESR）精煉，具備純凈而細(xì)微的組織，能夠滿足壓鑄模仁的需求�？筛鶕�(jù)功能要求，合理使用模具鋼，可降低模具成本。模塊A是零件成形區(qū)域，形狀復(fù)雜并需要高的表面質(zhì)量，所以采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼（W350、DIEVAR等），模塊B與澆注系統(tǒng)接觸，可以采用普通模具鋼（H13）[19]。小型壓鑄模硬度在HRC 50～52。一體化模具特別大，希望有韌性好不開裂，一般建議硬度在HRC 45～48。

2.3 模具設(shè)計(jì)與仿真
壓鑄模具的制造難點(diǎn)之一在于設(shè)計(jì)。壓鑄模具對壓鑄成功與否關(guān)系重大，一直被認(rèn)為是壓鑄生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝裝備。超大型模具在尺寸上達(dá)到一次飛躍，國內(nèi)外對超大模具設(shè)計(jì)均無經(jīng)驗(yàn)可循[17]。一體化模具一般都是很大，投入也是很大，模具設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一體化壓鑄件尺寸大，壁厚較薄不均勻，形狀復(fù)雜，壓射流程長且壓射時(shí)間短，加上壓鑄本身的特性，鑄件的收縮變形是不可避免，當(dāng)然在實(shí)際操作中還有一些想不到的突發(fā)事情發(fā)生。大型壓鑄模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造及可靠性驗(yàn)證均充滿挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴大量經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算實(shí)驗(yàn)。一體化模具更加大型，流道設(shè)計(jì)更復(fù)雜，壁厚變化較大，加工難度更大，對澆注、溢流、排氣、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，設(shè)計(jì)依賴先發(fā)經(jīng)驗(yàn)和大量實(shí)驗(yàn)。對模具強(qiáng)度和韌性等要求更高。由于一體化壓鑄是在超高真空環(huán)境下，高速充型高壓凝固，因此對模具的強(qiáng)度、韌性、精度以及密封性等均提出更高要求。模具為產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵壁壘環(huán)節(jié)，壓鑄模具的可靠性對一體化壓鑄良品率影響至關(guān)重要。模具決定著鑄件形狀和尺寸公差級；其澆注系統(tǒng)決定金屬液的填充情況；模具的強(qiáng)度限制最大壓射比壓；模具可以控制和調(diào)節(jié)壓鑄過程熱平衡。目前行業(yè)內(nèi)一體化壓鑄良品率參差不齊，頭部有望實(shí)現(xiàn)更高良品率[20]。

一體化壓鑄中，在零部件設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)階段，CAE仿真是無法替代的作用，精準(zhǔn)的仿真結(jié)果是設(shè)計(jì)優(yōu)劣的評價(jià)依據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)。一般采用網(wǎng)格質(zhì)量是仿真結(jié)果是較可靠的重要保障，一體化鑄件在70~100kg，壁厚均在3~4mm，結(jié)構(gòu)中含有大量的加強(qiáng)筋、圓角過渡等特殊結(jié)構(gòu)。需要用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格準(zhǔn)確描述，其型腔網(wǎng)格數(shù)量至少需要1億以上，加上模具網(wǎng)格，總體網(wǎng)格數(shù)量至少在3~5億。傳統(tǒng)單機(jī)版軟件受到算法及硬件等限制，需要千萬級網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來支持[21]。

智鑄CAE是本地化部署的高性能壓鑄仿真軟件，操作簡單，功能豐富，尤其是強(qiáng)大的后處理功能可為用戶提供深入、多樣的專業(yè)分析能力。SARES 依托超算云，以SaaS形式為用戶提供低成本、智能高效的壓鑄CAE模擬仿真服務(wù)。其核心功能：壓鑄工藝性分析(鑄件最小壁厚，拔模斜度，鑄造圓角分析）、模具澆排設(shè)計(jì)（分型面、進(jìn)料口、澆道和排氣、溢流系統(tǒng)模擬仿真和輔助設(shè)計(jì)）、模具冷卻設(shè)計(jì)（循環(huán)水路、點(diǎn)冷卻、加熱油路系統(tǒng)模擬仿真和輔助設(shè)計(jì)）、模具熱平衡分析（模具溫度分析、鑄件凝固時(shí)間、開模時(shí)間、噴涂時(shí)間等壓鑄循環(huán)工藝的模擬和優(yōu)化）、壓射工藝分析（優(yōu)化慢壓射工藝制定和壓室卷氣模擬預(yù)測）[22-23]。

智鑄CAE界面（ 網(wǎng)圖）

壓鑄模智能澆道設(shè)計(jì)（適創(chuàng)科技）

2.4 一體化壓鑄模具熱平衡

壓鑄生產(chǎn)過程中，溫度是工藝核心要素之一，壓鑄模具溫度控制好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。溫度是整個(gè)壓鑄工藝過程中重要參數(shù)，熔化溫度、模具溫度、壓鑄溫度、水溫、油溫等都是與整個(gè)壓鑄過程有著重要關(guān)聯(lián)影響。在一體化壓鑄生產(chǎn)中，溫度場變化更復(fù)雜化：首先鑄件重量接近或超過100kg，將釋放大量的熱量；其次壁厚較薄、流程較長，使得模具各個(gè)部位溫度極不均勻。一般情況下，靠近澆口以及澆道附近處模溫挺高，急需降溫散熱；而模具末端會模溫過低，導(dǎo)致溶體流動(dòng)性下降，容易造成鑄件冷隔、注射不滿等缺陷，急需升溫加熱。過去設(shè)計(jì)主要在澆排系統(tǒng)，包括澆道、集渣包和排氣槽設(shè)計(jì)，對模具內(nèi)在水路、油路等不是很重視，那時(shí)鑄件較小可以湊合。

模具熱管理在大型一體化壓鑄過程中是很重要，由于模具大型化，模具熱控制難度加大。合理設(shè)計(jì)冷卻/加熱系統(tǒng)，是生產(chǎn)中對模具溫度進(jìn)行有效控制前提條件。模具溫度控制對一體化壓鑄件質(zhì)量影響極大，溫度過高或過低都會使鑄件產(chǎn)生缺陷[17]。而一體化鑄件產(chǎn)品大必須考慮模具溫度熱平衡的難題。一方面借助于壓鑄仿真軟件分析溫度分布，還一方面需要用實(shí)際措施來解決模具熱平衡[21]。目前主要有模溫機(jī)控制，感知紅外線成像檢測，模內(nèi)傳感器，3D打印等。

2.4.1 模溫機(jī)控制應(yīng)用

模溫機(jī)具備智能控制模溫的效果，加熱或冷卻模具并保持其設(shè)定工作溫度。在一體化壓鑄中，配備模溫機(jī)在30臺以上。根據(jù)鑄件成型溫控需求，匹配一系列高溫、中溫、低溫溫控模溫機(jī)（200℃水溫機(jī)、320℃油溫機(jī)、冷熱溫控站、多通道模冷機(jī)，多通道點(diǎn)冷機(jī)、集成控制系統(tǒng)）。設(shè)計(jì)20℃~320℃的大寬度溫區(qū)，給模溫平衡提供穩(wěn)定且可控溫源輸出，同時(shí)大幅度溫度輸出不僅僅可以對模具進(jìn)行溫度平衡控制，還可以延伸至對壓室、沖頭、分流錐、澆口套等進(jìn)行溫度控制，保證壓鑄成型需要[24]�，F(xiàn)在已有把模溫機(jī)做成集成式，開發(fā)了CTM大型高溫水路集控站（簡稱“CTM”）。單臺CTM可替代溫控組單元中的十多臺模溫機(jī)，使得超大型壓鑄島溫控組單元更加節(jié)省占地空間、節(jié)省成本、節(jié)能降耗以及精準(zhǔn)溫控。通常需配置30臺以上模溫機(jī)，而使用CTM大型中央溫水控制系統(tǒng)替代普通模溫機(jī)只需要2-3臺，不僅占地面積更小，而且采購成本更低，設(shè)備成本節(jié)約30%以上，裝機(jī)功率節(jié)約70%以上。同時(shí)，CTM輸送壓力高，升溫速度更快；模溫?cái)?shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)集中控制[25]。

一體化壓鑄溫控系統(tǒng)示意圖（網(wǎng)圖）

一體化壓鑄模溫機(jī)安放現(xiàn)場示意圖（網(wǎng)圖）

2.4.2 紅外線成像檢測應(yīng)用

任何物體都依據(jù)溫度的不同對外進(jìn)行電磁波輻射。波長為2.0~1000微米的部分稱為熱紅外線。紅外線成像檢測運(yùn)用了光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將其信號轉(zhuǎn)換可供人視覺分辨的圖像或圖形，并可計(jì)算出溫度值。紅外線熱成像技術(shù)使人們可“看到的”物體表面溫度分布狀態(tài)。熱紅外成像通過對熱紅外敏感CCD（Charge Coupled Device）對物體進(jìn)行成像，能反映出物體表面的溫度場。熱紅外在工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[26-27]。

紅外熱成像測溫系統(tǒng)通過熱成像測溫儀對模具實(shí)時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)測溫，提供溫度異常點(diǎn)的自動(dòng)追蹤和報(bào)警。通過紅外熱成像及時(shí)聯(lián)動(dòng)PLC（可編程邏輯控制器）進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，報(bào)警后通過PLC控制增加噴淋時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)工藝自動(dòng)化。

主要應(yīng)用是：滿足全天溫度監(jiān)控需求，可針對各區(qū)域設(shè)置報(bào)警閾值，方便工程師及時(shí)調(diào)整壓鑄機(jī)參數(shù)；實(shí)時(shí)顯示全輻射熱圖，可設(shè)置顯示點(diǎn)、線、區(qū)域溫度數(shù)據(jù)，在溫度異常區(qū)域可直接顯示；溫度監(jiān)控覆蓋面積廣，可以大面積查看溫度均勻性；自動(dòng)對整個(gè)畫面內(nèi)高溫點(diǎn)定位，直觀看到問題點(diǎn)，模具表面高溫點(diǎn)清晰展現(xiàn)，提早發(fā)現(xiàn)隱患區(qū)域；當(dāng)出現(xiàn)溫度異常，監(jiān)控后臺可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)報(bào)警，聲光報(bào)警模塊會發(fā)出報(bào)警，提醒現(xiàn)場人員及時(shí)調(diào)整壓鑄機(jī)參數(shù)；支持定時(shí)存儲二次分析圖片，便于對壓鑄機(jī)狀態(tài)的復(fù)查；系統(tǒng)可定義3個(gè)不同報(bào)警閾值和等級，協(xié)助工作人員對隱患發(fā)生的緊急程度和發(fā)展態(tài)勢作出評估等[28]。由于是紅外技術(shù)的應(yīng)用，在無需中斷生產(chǎn)流程的情況下，即可有效的防止鑄造過程中存在的各種問題，及時(shí)將其扼殺在萌芽狀態(tài)。由于不必要的使用溫度調(diào)節(jié)，壓縮空氣，水基潤滑劑，脫模劑等，造成加工過程中模具溫度過高或者過低對于零件的質(zhì)量，模具的使用壽命，生產(chǎn)周期以及能源消耗和維護(hù)成本等產(chǎn)生不良的負(fù)面影響，優(yōu)化壓鑄工藝有著積極的作用[29]。

壓鑄模具熱成像示意圖（網(wǎng)圖）

2.4.3 模內(nèi)傳感器應(yīng)用

模內(nèi)傳感器早在上世紀(jì)80年代用于塑料模內(nèi)檢測溶體壓力或溫度，進(jìn)行注塑工藝調(diào)控。近年來得力于5G的應(yīng)用場景開展，給模內(nèi)傳感器發(fā)展帶來更多的應(yīng)用與創(chuàng)新。模內(nèi)狀態(tài)傳感器是國內(nèi)某一研究院研發(fā)的注塑可視化工具，具備注塑品質(zhì)智能分揀、注塑參數(shù)快速設(shè)定、縮減成型周期、模流分析驗(yàn)證、監(jiān)控模溫等功能，對于因材料變化引起的品質(zhì)變異有獨(dú)到的作用[30]。

傳感器安裝在模仁，需要與材料直接接觸，會在表面留下類似印記（類似頂針�。�，尺寸為直徑8mm的圓，安裝位置要求是平面（一般選擇澆口、溫度波動(dòng)點(diǎn)、多處流動(dòng)末端）。在模腔安裝模內(nèi)傳感器，輸出溶體狀態(tài)信息經(jīng)技術(shù)處理后的數(shù)據(jù)和曲線，分析模內(nèi)傳感器曲線，得出壓射全過程溶體狀態(tài)變化。其主要目的提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少報(bào)廢，縮短加工周期，提高效益。

a.傳感器探頭

b.信號放大器

c.I/O采集控制模塊

d.傳感器系統(tǒng)終端

模內(nèi)狀態(tài)傳感器系統(tǒng)基本組成示意圖（廠家供圖）

模內(nèi)狀態(tài)傳感器系統(tǒng)基本組成由傳感器探頭、信號放大器、I/O采集控制模塊和傳感器系統(tǒng)終端組成。傳感器探頭安裝在模仁，并與信號放大器連接，采集模內(nèi)狀態(tài)傳感器信息，通過串口通訊傳輸?shù)絺鞲衅飨到y(tǒng)終端；I/O采集控制模塊與注射機(jī)控制器電器連接，采集注射機(jī)開合模、注射等信號，通過Ether Cat 傳輸?shù)絺鞲衅飨到y(tǒng)終端。系統(tǒng)終端對傳感器和控制器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，模內(nèi)傳感器可以同步輸出模具溫度、溶體狀態(tài)兩種信號和相應(yīng)處理好的數(shù)據(jù)[31]。壓鑄模與塑料模在設(shè)計(jì)理念、成型工藝有相同之處，不同的模腔內(nèi)材質(zhì)，模內(nèi)傳感器是應(yīng)用平板電容器原理，平板中間的溶體介質(zhì)原來是塑料，現(xiàn)在是鋁合金，同樣能測出溶體在不同狀態(tài)溫度，熔態(tài)，固態(tài)等信息，現(xiàn)在模內(nèi)狀態(tài)傳感器也可移植到一體化壓鑄模具上作為模具溫度，鋁合金溶體兩種溫度的檢測，這對一體化壓鑄成型，減少廢品有著重要的意義，這還需要在一體化壓鑄上進(jìn)行驗(yàn)證與調(diào)整[32]。

2.4.4 模具異形水路應(yīng)用

異形水路應(yīng)用很好地改變了直線水路的弊端，對控制模溫有著積極的作用。關(guān)鍵是冷卻水路的位置能夠貼近產(chǎn)品的輪廓以達(dá)到均勻帶走熱量或者傳遞熱量的目的。異形水路可不必受到傳統(tǒng)加工上的限制，模具設(shè)計(jì)可更自由地設(shè)計(jì)出貼近產(chǎn)品的水路設(shè)計(jì)，也稱隨形水路，其加工方法是增材制造（3D打�。�[33]，主要用于塑料模和壓鑄模。目前塑料模上應(yīng)用廣泛，壓鑄模上應(yīng)用較少，瓶頸在壓鑄模打印材料上，沒有專用打印材料，導(dǎo)致3D打印的壓鑄模壽命不達(dá)標(biāo)。

壓鑄模與塑料模制作異形水路的金屬3D打印設(shè)備與軟件可通用。壓鑄模與塑料模在設(shè)計(jì)理念、成型工藝有相同之處，不同的模腔內(nèi)材質(zhì)。對于模具制造的鋼材本身耐磨性能有較高的要求，壓鑄模耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比塑料模的要求高。材料要較高的耐磨性，提高耐磨性要較高的硬度，高硬度要較高的含碳量材料，含碳量高材料導(dǎo)致打印容易開裂成了難題。

長期以來，H13鋼屬于困難焊補(bǔ)的領(lǐng)域，國內(nèi)一家材料公司細(xì)心優(yōu)化材料配方，實(shí)施了“無預(yù)熱補(bǔ)焊”。根據(jù)過往的技術(shù)積累，實(shí)現(xiàn)了“激光選區(qū)多層多道層積制造淬火鋼”的突破。基于H13氬弧焊在壓鑄模修復(fù)、方便好焊無色差無裂紋模具焊絲的原理，開發(fā)了SKD61(HRC45)、SKD61-2(HRC58)兩種不同硬度的焊條用于不同部位模具焊接，達(dá)到硬度要求后NC再加工滿足壓鑄模需要。2015年在form next上見到Audi租下一半場館展示3D打印應(yīng)用，包括了壓鑄模打印，研發(fā)人員得到了啟迪。在2018年結(jié)合SLM金屬打印機(jī)工藝，研發(fā)出壓鑄模適用的模具鋼打印材料，可以用于一體化壓鑄模的打印材料（Cmc SDAC SLM壓鑄模具鋼粉、1.2709SLM通用模具鋼粉），并在壓鑄模具3D水路打�。⊿LM 選擇性激光熔化）取得成功。

2015年form next上見到Audi展示壓鑄模3D水路打印件（視頻圖片）

廣東有3D打印廠家已經(jīng)在為壓鑄模打印異形水路，打印材料和底座材料不一樣，是為了降低打印成本，打印后模具零件在精加工后要做涂層保護(hù)處理，延長零件的使用壽命。壓鑄模零件做3D打印除了制造周期縮短，還有產(chǎn)品良品率大致有三到五個(gè)點(diǎn)（百分點(diǎn)）的提升。采用的壓鑄模較為成熟打印材料是1.2709SLM（通用模具鋼粉）。3D打印一體化壓鑄模異形水路已有應(yīng)用，這是以后發(fā)展的方向。

3D打印壓鑄模零件（廠家供圖）

3. 結(jié)束語

2020年我國新能源汽車產(chǎn)銷136.6萬輛和136.7萬輛[34]。2021年新能源汽車產(chǎn)銷分別完成354.5萬輛和352.1萬輛[35]。2022年新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛[36]。新能源汽車促進(jìn)了一體化壓鑄的發(fā)展，壓鑄模一直被認(rèn)為是壓鑄生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝裝備。一體化壓鑄技術(shù)趨勢明確，新能源車有望進(jìn)一步降本增效。受益于一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈擴(kuò)張，大型壓鑄模具市場迅速成長。有部門預(yù)測預(yù)計(jì)到2025年，壓鑄模市場空間可達(dá)131億元[20]，說明壓鑄模的需求量還是很大。“一體化壓鑄成型工藝與裝備”列入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃[37]，這給大型壓鑄模制造發(fā)展注入新動(dòng)能。隨著大型壓鑄模技術(shù)壁壘逐步被人們攻破與掌握，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)解決壓鑄模的熱平衡等關(guān)鍵難點(diǎn)，將會極大帶動(dòng)大型壓鑄模具制造發(fā)展，為一體化壓鑄發(fā)展服好務(wù)，促進(jìn)新能源汽車向著節(jié)能、減排方向發(fā)展。

新能源汽車生產(chǎn)線（網(wǎng)圖）

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